(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの出力電流を低下させることなく酸化剤ガスのガス漏れを検知できる燃料電池システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、カソード１２の出口側に設置された酸素濃度検出装置１５によってカソード１２から排出されるガスの酸素濃度を検出し、制御部１７が検出された酸素濃度と燃料電池スタック２で発電された出力電流値とに基づいて燃料電池スタック２に供給された空気流量を算出するとともに、出力電流値に基づいてカソード１２に供給されるべき目標空気流量を算出し、この空気流量と目標空気流量とを比較して酸化剤ガスのガス漏れを検知する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムにおいて、
前記カソードから排出されるガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記酸素濃度検出手段によって検出された酸素濃度と前記燃料電池によって出力された出力電流値とに基づいて前記カソードに供給される酸化剤ガス流量を算出するとともに、前記出力電流値に基づいて前記カソードに供給されるべき目標酸化剤ガス流量を算出し、前記酸化剤ガス流量と前記目標酸化剤ガス流量とを比較して酸化剤ガスのガス漏れを検知する制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、算出された前記酸化剤ガス流量を前記目標酸化剤ガス流量に一致させるように制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記酸化剤ガス流量が前記目標酸化剤ガス流量に一致させられないときには、供給可能な最大の酸化剤ガスを前記カソードに供給し、前記燃料電池の発電量を前記最大の酸化剤ガス流量で発電することのできる発電量に制限することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記カソードの出口温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は前記カソードの出口温度に基づいて前記酸化剤ガス流量を補正して算出することを特徴とする請求項１から請求項３いずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アノードで発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するときに前記カソードから排出されるガスで希釈し、前記制御手段は前記燃料ガスを希釈するのに十分な酸化剤ガスを供給するように制御することを特徴とする請求項１から請求項４いずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記アノードで発電に使用されなかった燃料ガスと前記カソードから排出されたガスを混合して燃焼させる燃焼器をさらに備え、前記制御手段は前記燃料ガスを燃焼させるのに十分な酸化剤ガスを供給するように制御することを特徴とする請求項１から請求項５いずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御方法において、
前記カソードから排出されるガスの酸素濃度を検出するステップと、
前記酸素濃度と前記燃料電池によって出力された出力電流値とに基づいて前記カソードに供給される酸化剤ガス流量を算出するステップと、
前記出力電流値に基づいて前記カソードに供給されるべき目標酸化剤ガス流量を算出するステップと、
前記酸化剤ガス流量と前記目標酸化剤ガス流量とを比較して酸化剤ガスのガス漏れを検知するステップと
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に係り、特に燃料電池の出力電流を低下させることなく酸化剤ガスのガス漏れを検知する燃料電池システムの制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、アノード（燃料極）に供給される燃料ガスとカソード（酸化剤極）に供給される酸化剤ガス（空気）とが化学的な反応を起こすことにより燃料ガスが有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソードに空気を供給する空気供給系にガス漏れが生じると、燃料電池に十分な空気が供給されなくなり燃料電池の発電電力が低下してしまう。
【０００４】
従来から、このような燃料電池に供給される空気流量の異常を検出するシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、ある基準値に対するセル電圧の低下に基づいて空気流量の制御またはリークなどによる空気流量の異常を検出している。
【特許文献１】特表２００３−５１６６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、燃料電池スタックのセル電圧の低下によって空気流量の異常もしくは空気ＳＲ不足を検出しているので、燃料電池の出力が低下しないと異常を検出することができないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムにおいて、カソードから排出されるガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、酸素濃度検出手段によって検出された酸素濃度と燃料電池によって出力された出力電流値とに基づいてカソードに供給される酸化剤ガス流量を算出するとともに、出力電流値に基づいてカソードに供給されるべき目標酸化剤ガス流量を算出し、酸化剤ガス流量と目標酸化剤ガス流量とを比較して酸化剤ガスのガス漏れを検知する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、酸素濃度検出手段によってカソードから排出されるガスの酸素濃度を検出し、制御手段が燃料電池に供給された酸化剤ガス流量とカソードに供給されるべき目標酸化剤ガス流量とを算出し、算出された酸化剤ガス流量と目標酸化剤ガス流量とを比較して酸化剤ガスのガス漏れを検知するので、燃料電池の出力電流を低下させることなく酸素濃度の変化によってガス漏れを検知する燃料電池システム及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【０００９】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１０】
燃料電池システムは、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極（カソード）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる（１）式及び（２）式の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。
【００１１】
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                        （１）
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ      （２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【００１２】
図１に示すように、第１の実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタック２と、燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給装置３と、水素供給装置３から供給された水素ガスを減圧する水素供給バルブ４と、水素ガスを所望の圧力に調節する水素調圧弁５と、水素ガスを燃料電池スタック２のアノード６に供給する水素供給ライン７と、燃料電池スタック２で消費されなかった水素ガスを水素循環ポンプ８によって再循環させる水素還流路９と、アノード６から排出されたガスの外部への排気を調節するパージ弁１０と、取り入れる空気の流量を測定するエアフローメータ１１と、酸化剤ガスである空気を加圧してカソード１２に供給するコンプレッサ１３と、カソード１２に供給される空気を加湿する加湿装置１４と、カソード１２から排出されたガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置（酸素濃度検出手段）１５と、カソード１２から外部へ排出されるガスの流量を調整する空気調整弁１６と、酸素濃度検出装置１５やその他のセンサの検出結果に基づいてコンプレッサ１３の回転数や各弁の制御を行う制御部（制御手段）１７と、燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）１８とを備えている。
【００１３】
ここで、燃料電池スタック２は、アノード６に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード１２に酸化剤ガスである空気がコンプレッサ１３から供給されており、アノード６とカソード１２間に挟持された電解質膜における電極反応によって発電している。
【００１４】
水素供給装置３は、水素貯蔵装置から直接供給する場合には水素貯蔵装置であり、水素含有燃料を改質して供給する場合には水素改質器などである。
【００１５】
水素供給バルブ４は、水素ガスの圧力を減圧するとともに、制御部１７の制御に基づいてバルブが開閉されてアノード６に供給される水素ガスの流量を調節している。
【００１６】
水素調圧弁５は、アノード６で要求される圧力に水素ガスの圧力を調節している。
【００１７】
水素供給ライン７は、水素供給装置３から供給される水素ガスと水素還流路９を循環してきた水素ガスとを合流させてアノード６に供給している。
【００１８】
水素還流路９は、アノード６で消費されなかった水素ガスを循環させてアノード６に再び供給するために、アノード６から排出された水素ガスを水素循環ポンプ８によって水素供給ライン７に還流させている。
【００１９】
パージ弁１０は、アノード６に供給されるガス中に含まれている窒素を排出するために設置されており、例えば間欠的に開閉を行うことによってアノード６における反応に参加しない窒素の濃度が所定値以下になるようにしている。ただし、パージ弁１０から排出されるガスには高濃度の水素ガスも含まれている。
【００２０】
エアフローメータ１１は、外部からコンプレッサ１３に取り入れられる空気の流量を測定しており、測定したデータは制御部１７に送られている。
【００２１】
コンプレッサ１３は、制御部１７の制御に基づいて回転数が調節され、外部から取り入れた空気を加圧してカソード１２に供給している。
【００２２】
加湿装置１４は、コンプレッサ１３で加圧された空気をカソード１２で要求される湿度に加湿してカソード１２に供給している。
【００２３】
酸素濃度検出装置１５は、カソード１２の出口側に設置されており、カソード１２から排出されるガスの酸素濃度を検出するための酸素センサなどによって構成されている。そして、検出された酸素濃度のデータは制御部１７に送られている。
【００２４】
空気調整弁１６は、カソード１２から外部へ排出されるガスの流量を調整しており、とくに制御部１７の制御に基づいてアノード６から排出される水素ガスを希釈するために必要となる流量を排出するように開閉が行われる。
【００２５】
制御部１７は、酸素濃度検出装置１５やエアフローメータ１１などの各センサからの検出結果に基づいてコンプレッサ１３の回転数や各調整弁、バルブの制御を行っている。そして、酸素濃度検出装置１５によって検出された酸素濃度と燃料電池スタック２で発電された出力電流値とに基づいてカソード１２に供給された空気流量を算出するとともに、燃料電池スタック２の出力電流値に基づいてカソード１２に供給されるべき目標空気流量を算出する。そして、算出した空気流量と目標空気流量とを比較して、酸化剤ガスのガス漏れを検知している。
【００２６】
温度センサ１８は、燃料電池スタック２の温度を検出しており、とくにカソード１２から排出される水蒸気量を求めるために、カソード１２の出口温度を検出している。
【００２７】
次に、上述したように構成された本実施形態の燃料電池システム１の通常の動作を説明する。
【００２８】
まず、燃料ガスである水素ガスは、水素供給装置３から供給されると、水素供給バルブ４を通じて減圧され、さらに水素調圧弁５によってアノード６で要求される圧力に調圧される。調圧された水素ガスは水素還流路９を循環してきた水素ガスと水素供給ライン７で合流してアノード６に導入される。
【００２９】
そして、アノード６に導入された水素ガスは燃料電池スタック２で発電に利用され、消費されなかった水素ガスはアノード６から排出されて水素循環ポンプ８によって水素還流路９を循環して水素供給ライン７へと送られる。
【００３０】
ここで、燃料ガスには窒素などの燃料電池スタック２の反応に参加しないガスも含まれており、このようなガスが蓄積すると燃料電池スタック２の出力が低下するので、パージ弁１０を例えば間欠的に開閉することによって窒素の濃度を所定値以下にしている。
【００３１】
一方、酸化剤ガスである空気は、外部からコンプレッサ１３に取り入れられ、このときエアフローメータ１１を通過するので、空気の流量が測定されて制御部１７にそのデータが送られる。そして、コンプレッサ１３は制御部１７によって回転数が制御されて空気を加圧し、加圧された空気は加湿装置１４で加湿されてカソード１２に導入される。
【００３２】
そして、カソード１２に導入された空気のうち一部の酸素が消費され、消費されなかった空気と発電によって生成した水蒸気とがカソード１２から排出され、排出されたガスは酸素濃度検出装置１５及び加湿装置１４を通過して空気調整弁１６から外部に排出される。
【００３３】
次に、本実施形態の燃料電池システム１によるガス漏れの検知処理を説明する。
【００３４】
まず、上述した通常動作によってカソード１２にはコンプレッサ１３から酸化剤ガスである空気が供給されている。
【００３５】
ここで、供給される空気中の酸素のうち燃料電池スタック２の出力電流に見合った分が消費され、残りはカソード１２の出口から排気されている。したがって、供給されている空気のうちカソード１２で消費される酸素流量ＣＯ２は、燃料電池スタック２の出力電流の電流値をＩ（Ａ）とすると、（３）式により求められる。
【数１】
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【００３６】
このとき、カソード１２出口における酸素濃度Ｏ２はカソード１２に供給される空気流量Ｆairとカソード１２で消費される酸素流量ＣＯ２によって求めることができ、カソード１２の出口における酸素濃度Ｏ２は（４）式により求められる。
【数２】
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【００３７】
（４）式によって、燃料電池スタック２の各出力電流における空気流量Ｆairとカソード１２の出口における酸素濃度Ｏ２とを対応させることができる。したがって、カソード１２の出口に配置された酸素濃度検出装置１５で酸素濃度を測定することによって、カソード１２に供給されている空気流量Ｆairを求めることができる。
【００３８】
ここで、カソード１２の出口における酸素濃度とカソード１２に供給される空気流量との関係を図２に示す。図２に示すように、例えば１００Ａの発電を行う場合に１０２１ＮＬ／ｍｉｎ程度の空気をカソード１２に供給すると、カソード１２の出口における酸素濃度は１１．７％程度となる。しかし、空気流量が２０％低下すると酸素濃度は９．１％になることが分かる。このように、酸素濃度検出装置１５の濃度出力によってカソード１２に供給される空気流量及びその変動を得ることができる。
【００３９】
一方、制御部１７は、燃料電池スタック２の出力電流を得るために必要となる空気流量を目標空気流量として算出し、コンプレッサ１３を駆動してカソード１２に供給される空気流量が目標空気流量となるように制御している。
【００４０】
ここで、目標空気流量の算出方法を説明する。カソード１２に供給される空気は、流路を構成している配管やその圧損及び燃料電池スタック２の構造などによってスタックを構成しているすべてのセルに均等に供給されない場合がある。そこで、この不均一を解消するために実際には発電によって消費される酸素量以上の空気を供給するように過剰率ＳＲairを設定し、この過剰率ＳＲair分だけの空気流量を増量して供給している。これによって、スタック内部で発電中に酸素不足が起こらないようにしており、上述した図２では過剰率ＳＲair＝２．０で空気が供給された場合を示している。
【００４１】
したがって、（３）式で示した出力電流Ｉ（Ａ）を得るために消費される酸素流量ＣＯ２に基づいて、燃料電池スタック２に供給されるべき目標空気流量Ｆairは、大気中の酸素濃度が２１％であることから、（５）式により求めることが出来る。
【数３】
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【００４２】
と表される。
【００４３】
したがって、（４）式に基づいて求められたカソード１２の空気流量と、（５）式に基づいて算出された目標空気流量とを比較することによって、制御部１７はエアフローメータ１１の下流からカソード１２の上流までの酸化剤ガス供給系におけるガス漏れを検出することができる。
【００４４】
また、燃料電池スタック２の温度によってカソード１２の出口における水蒸気量が変化するので、温度センサ１８によりカソード１２の出口温度を測定し、この出口温度に基づいて酸素濃度検出装置１５で測定された酸素濃度に対して水蒸気分圧の補正を行う。これによって、より正確な酸素濃度を検出することができる。
【００４５】
さらに、制御部１７は、酸素濃度検出装置１５で検出した酸素濃度から求めた空気流量と目標空気流量との間の偏差を求め、この偏差に応じて空気流量と目標空気流量とを一致させるようにコンプレッサ１３の回転数や空気調整弁１６などを制御して発電に必要な空気流量を確保する。そして、空気流量と目標空気流量との偏差が大きくて空気流量を目標空気流量に一致させられないときには、現状で供給できる最大の空気流量を酸素濃度と出力電流値とから推定し、推定した最大の空気流量で発電できる発電量に燃料電池スタック２の出力電流値の上限を制限することによって運転を継続する。
【００４６】
また、パージ弁１０からは窒素が放出されているが、この際には同時に高濃度の水素ガスも外部に放出されてしまう。そこで、パージ弁１０を開いてアノード６からのガスをシステム外に放出するときにはカソード１２から排出されるガスと合流させて希釈してから系外に放出するようにしている。ここで、この希釈に利用されるカソード１２から排出される空気の流量が不足していると、外部に放出される水素ガスは十分に希釈されずに放出されてしまう。そこで、希釈に十分な空気流量がカソード１２の出口で確保されていない場合には、制御部１７がコンプレッサ１３の回転数及び空気調整弁１６を制御して希釈に必要な空気流量を確保するようにしている。
【００４７】
次に、図４を参照して、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明する。
【００４８】
（イ）先ず、Ｓ１段階において、酸素濃度検出装置１５を用いて、カソード１２から排出されるガスの酸素濃度を検出する。
【００４９】
（ロ）Ｓ２段階に進み、制御部１７は、検出された酸素濃度と燃料電池スタック２によって出力された出力電流値とに基づいてカソード１２に供給される空気流量を算出する。
【００５０】
（ハ）Ｓ３段階に進み、制御部１７は、出力電流値に基づいてカソード１２に供給されるべき目標空気流量を算出する
（ニ）Ｓ４段階に進み、制御部１７は、カソード１２に供給される空気流量と目標空気流量とを比較して空気のガス漏れを検知する。
【００５１】
なお、Ｓ３段階とＳ１及びＳ２段階との前後関係は特に問わない。即ち、Ｓ１段階の前にＳ３段階を実施しても構わない。
【００５２】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２のカソード１２の出口側に酸素濃度検出装置１５を設置してカソード１２から排出されるガスの酸素濃度を検出し、制御部１７がカソード１２に供給された空気流量とカソード１２に供給されるべき目標空気流量とを比較してガス漏れを検知するので、燃料電池スタック２の出力電流を低下させることなく酸素濃度の変化によってガス漏れを検知することができる（請求項１及び７の効果）。
【００５３】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、算出された空気流量を目標空気流量に一致させるように制御部１７がコンプレッサ１３などを制御するので、ガス漏れが発生した場合でも燃料電池スタック２の運転を継続することができる（請求項２の効果）。
【００５４】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、空気流量を目標空気流量に一致させられないときには、制御部１７が供給可能な最大の空気流量を燃料電池スタック２に供給するように制御し、燃料電池スタック２の発電量を最大の空気流量で発電できる発電量に制限するので、燃料電池スタック２の発電性能を低下させずに運転を継続させることができる（請求項３の効果）。
【００５５】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２のカソード１２の出口温度を検出する温度センサ１８をさらに備え、制御部１７がカソード１２の出口温度に基づいてカソード１２から排出された空気流量を補正して算出するので、水蒸気の分圧を考慮してより正確な空気流量を算出することができる（請求項４の効果）。
【００５６】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、アノード６で発電に使用されなかった水素ガスを外部に排出するときにカソード１２から排出されるガスで希釈し、制御部１７が水素ガスを希釈するのに十分な空気を供給するように制御するので、ガス漏れが発生している場合でも希釈に必要となる空気流量を確保して安全に運転を継続することができる（請求項５の効果）。
【００５７】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム２１は、パージ弁１０から排出される水素ガスを燃焼させる燃焼器２２をさらに備えたことが第１の実施形態と異なっている。ただし、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００５８】
そして、このように構成された本実施形態の燃料電池システム２１では、パージ弁１０から水素循環系外へ放出された水素ガスを処理するために、カソード１２から排出された空気とあわせて燃焼器２２に水素ガスを導入して燃焼させる。燃焼後のガスは十分に安全な濃度にまで水素濃度が低減できているので、外部に放出することができる。しかし、水素循環系外へ放出されたガスを燃焼させるためにはカソード１２から排出された空気中の酸素濃度をある所定値以上に保たなければならない。そこで、エアフローメータ１１の下流からカソード１２の上流までの空気供給系に異常やガス漏れがある場合には燃料電池スタック２に供給されている空気流量の低下を検出し、酸素濃度検出装置１５の濃度出力によって排水素処理が可能な酸素濃度を供給できるように制御部１７がコンプレッサ１３の回転数及び空気調整弁１６を制御して必要な酸素量を確保できるように運転する。
【００５９】
このように、本実施形態の燃料電池システム２１では、アノード６で発電に使用されなかった燃料ガスとカソード１２から排出されたガスを混合して燃焼させる燃焼器２２をさらに備え、制御部１７が燃料ガスを燃焼させるのに十分な空気を供給するように制御するので、空気供給系にガス漏れなどの異常が発生した場合でも外部に排出される水素濃度を安全なレベルにまで低下させて運転を継続することができる（請求項６の効果）。
【００６０】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
燃料電池システムに係り、特に燃料電池の出力を低下させることなく酸化剤ガスのガス漏れを検知するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】カソードから排出される空気中の酸素濃度とカソードに供給される空気流量との関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６３】
１、２１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  水素供給装置
４  水素供給バルブ
５  水素調圧弁
６  アノード
７  水素供給ライン
８  水素循環ポンプ
９  水素還流路
１０  パージ弁
１１  エアフローメータ
１２  カソード
１３  コンプレッサ
１４  加湿装置
１５  酸素濃度検出装置（酸素濃度検出手段）
１６  空気調整弁
１７  制御部（制御手段）
１８  温度センサ
２２  燃焼器
【図１】
2006244822.tif 000006
【図２】
2006244822.tif 000007
【図３】
2006244822.tif 000008
【図４】
2006244822.tif 000009